汽車電子板級設計考慮

作者：朱玉龍（IND4汽車人大咖講師）

本文是針對大多數從事板級設計的部分展開探討，在從選擇晶元到設計電路、核算分析相關的ESD保護電路整個抗靜電能力，最終形成產品設計的過程。這裡我覺得可以分成三部分：

1） 電路保護的設計選型：這部分是獲取相關元件的ESD敏感度，對比較弱的器件形成敏感器件清單，考慮布置方案，然後對每個使用的單元進行ESD保護處理的過程。簡單而言，我們可以在這裡分成幾個關鍵的單元，然後在硬體設計的流程中予以一一體現。

圖1 硬體設計流程

a)在設計初期，對集成晶元的靜電防護等級予以考慮，主要是把晶元的各個等級進行確認。

b)識別出來敏感單元之後，制定ESD防護的基本方案，這裡初步計算的辦法是校核外部輸入脈衝應力在基本等效模型的時候不超過相應電容保護的最高電壓。

表1 ESD的器件應力校核

備註：電容的效果是很有限的，除了初步的計算以外，當我們設計初期盡量就前面篩選出來的敏感器件ESD輸入限制進行歸類，形成幾類典型的Limit，設計相對通用的ESD保護功能塊，這就需要引入後面的TLP方法。

圖2 比較不同特性（100ns TLP）

當電容頂不住，需要TVS和當然這裡還有一種動態校核的辦法，主要是把實際的保護電路的設計、晶元的ESD保護和電容放在一起來定性比較。

圖3 ESD 特性對比

c)PCB評審的時候，對ESD事件發生和傳輸的路徑進行梳理，然後對已有的布置進行評審。

2）整塊電路板和核心敏感器件的模擬過程：如下圖1所示，通過工具軟體對器件設計完之後進行一定的校核，採用軟體分析在靜電發生的過程中整體的情況。這裡可以和IC內部的模型進行結合起來，不過大家也知道國外晶元獲取點支持就不錯了，靜電模型這樣的東西要起來根本不可能。

備註：這條路，比較難走，當企業比較大，資源比較多時候，還是需要進一步深入下去，這其實是一種失效機理控制和評審的方法，都可以用模擬這種數據化模型方法提高能力。

圖4 元器件和板級ESD模擬

如下圖所示，在採取積累可靠性數據的時候，過應力的部分通過模擬和建模是非常有效的；而累積損傷則通過加速實驗模型累計數據，從統計方法來走，兩條路都是走得通的，走法有不同的。

圖5 典型的失效，特別是過應力模型是可以校核的

3）實驗分析：分為兩部分測試的Go/no Go驗證實驗和傳輸線脈衝（TLP）測試台架，前者確定是否有效，後者進一步了解實際的損傷細節。

實驗驗證有時候最難的地方是有軟損傷，但是功能是存在的，如下表所示，某些時候它不壞，我們反而需要細緻的思考這個功能驗證手段是否太單一了。

圖6 ESD測試搭建

表2 部件的ESD結果

傳輸線脈衝TLP測試是通過控制波形發生模塊的充放電過程，脈衝發生器產生並向DUT注入脈衝波形，測試系 統中所有連接電纜的特性阻抗均為50Ω。DUT埠電壓和流經DU的電流通過電壓和電流探頭連 接示波器進行測量。如下圖所示，基於TLP的HMM測試可直觀得到被測器件的靜電放電瞬態響應，可以看到實際的響應過程，可以建立與後續切片分析內部是否有軟損傷，建立其真正的對應情況。這種方法比Go/no Go能起到的作用大很多。

您已閱讀完文章的50%

下載IND4汽車人APP閱讀原文